Les biocapteurs

Un biocapteur est un outil analytique composé d'un élément biologique appelé biorécepteur lié à un transducteur. Le biorécepteur reconnaît spécifiquement une molécule du milieu et l'information biologique qui en résulte est convertie par le transducteur en un signal analytiquement utile [6]. Trois principaux éléments composent un biocapteur : une couche biologique sensible, un transducteur et un signal de sortie. La couche biologique contient un biorécepteur, qui reconnait l’espèce biologique souhaitée et qui est immobilisé sur le transducteur. Ce dernier assure la conversion de la réponse biologique en un phénomène physique. Au plus haut niveau, le signal de sortie permet la mesure du phénomène physique élaboré par le transducteur. Ce niveau contient souvent des étapes d’amplification et d’affichage, de manière appropriée et interprétable par l’utilisateur. La figure II-4 représente

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le principe de fonctionnement d’un biocapteur permettant d’obtenir, à partir de l’espèce à détecter dans l’échantillon, toute information utile à son évaluation [7].

Fig. II- 4 Représentation schématique du principe de fonctionnement d’un biocapteur.

II.2.2 Description du biocapteur II.2.2.1 Le biorécepteur

Le biorécepteur constitue le premier maillon du biocapteur. Il permet l'identification de l'espèce à détecter grâce à son site particulièrement sélectif. Le biorécepteur assure ainsi la reconnaissance moléculaire, associée ou non à la transformation de l’espèce à mesurer. Cette modification, très localisée, de l’espèce présentée dans l’échantillon, se fait généralement par l’intermédiaire d’une molécule active (par exemple : enzyme, anticorps, ADN, micro- organisme) immobilisée qui transforme ce substrat en un produit détectable par le transducteur. Dans un biocapteur, le biorécepteur offre une spécificité et une sensibilité élevée pour un groupe particulier d'analyte, ainsi qu’une réponse rapide. Plusieurs types de biorécepteurs ont été utilisés comme moyen de reconnaissance moléculaire pour le développement de biocapteurs (Fig. II- 5). Parmi ces biorécepteurs on cite par exemple : les biorécepteurs à enzymes qui utilisent généralement des enzymes spécifiques pour la capture et la génération catalytique d’un produit qui est alors directement mesuré grâce à une large gamme de transducteurs (électrochimiques, optiques, thermiques, acoustiques…). Ce type de biocapteurs a été souvent utilisé pour la quantification de contaminants tels que les pesticides, herbicides ou antibiotiques…. Le biorécepteur microorganisme est utilisé comme biocapteur pour la synthèse pharmaceutique, le traitement des eaux usées et l’industrie alimentaire.

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Fig. II- 5 Représentation schématique des différents biorécepteurs.

II.2.2.2 Le transducteur

Le transducteur représente l’élément physique du biocapteur. Il sert à exploiter la modification biochimique issue d’une interaction entre un analyte et le biorécepteur pour la transformer en signal électrique. Suivant le type de modification biochimique, on choisira le type de transducteur approprié pour exploiter au mieux l’effet créé par le biorécepteur en présence de l’espèce cible et obtenir un signal sensible, facilement exploitable et avec un minimum de bruit de fond. Un faible bruit de fond au niveau du transducteur assurera un seuil de détection plus bas et améliorera les performances du biocapteur [7].

Quatre types de transducteurs sont généralement utilisés pour la conception de biocapteurs. Ainsi le transducteur peut être optique (mesurant des changements tels que l’absorption optique, la fluorescence ou l’indice de réfraction), mécanique (mesurant un changement de masse qui accompagne une réaction biologique), électrochimique (basé sur le changement des propriétés électriques) ou thermique (mesurant le changement de température accompagnant une réaction endo ou exothermique). Dans cette partie, et pour chaque type de transducteur, le principe de la technique sera défini et un ou plusieurs exemples d’utilisation dans le domaine du contrôle de l’environnement seront présentés [6].

II.2.2.3 Types de transducteurs

Même si la capacité de reconnaissance spécifique d’analytes est assurée par la couche biologique, un biocapteur doit être capable de traduire la bio-reconnaissance en un signal physiquement mesurable. C’est le rôle assuré par le transducteur. Une méthode de transduction doit donner des informations non seulement sur la qualité de la reconnaissance

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mais aussi sur la quantité d’analytes reconnus. Cela permet d’introduire la notion de sensibilité, capitale pour un transducteur. Comme pour la couche biologique, il y’a aussi une notion de spécificité de la transduction qui doit être prise en compte. L’information donnée par le transducteur ne doit correspondre qu’à la reconnaissance biologique et non pas à des mesures parasites provenant du milieu environnant ou des effets de température, par exemple. Parmi la variété des méthodes de transduction, les méthodes classiques utilisent des marqueurs pour traduire la reconnaissance. Les types de marqueurs les plus communs sont fluorescents, radioactifs ou encore enzymatiques. Le marquage des analytes présente l’avantage d’une transduction hautement sensible. Néanmoins, au-delà du coût d’expérience augmenté par le besoin de marquage, la modification des analytes peut influencer sur la qualité et la dynamique de la reconnaissance. Aussi, il est évident que les méthodes de transduction ne nécessitant pas de marquage sont plus universelles et plus rapidement applicables dans une large gamme d’applications. C’est pourquoi, nous nous sommes intéressés à des méthodes de transduction sans marquage comme les transducteurs optiques [7].

II.2.2.4 Transducteur optique

Une large variété de méthodes optiques a été utilisée en tant que système de détection par biocapteurs. Ces transducteurs sont basés sur certains phénomènes : l'effet des molécules biologiques sur l'absorption de la lumière, la fluorescence, la variation de l’indice de réfraction, ou d'autres paramètres optiques. Ces transducteurs sont devenus de plus en plus populaires au cours de ces dernières années avec beaucoup de dispositifs commercialement disponibles. Un des principaux avantages des transducteurs optiques est leur capacité à sonder des surfaces et des films de façon non destructive. Ils possèdent une bonne sensibilité, une robustesse et des faibles temps de réponse, de plus ils permettent des mesures en temps réel.

II.2.3 Les cristaux photoniques pour la détection optique

L’application des cristaux photoniques en tant que capteurs constitue un domaine de recherche qui semble être très prometteur en raison de leur micro-structuration périodique qui permet de piéger les photons et de créer des résonances optiques très sensibles à la présence des molécules à détecter, de leur extrême miniaturisation (0.1 mm2 de surface de détection), de leur haute sensibilité spectrale, de la sélectivité dans le mécanisme de détection et de la possibilité de les intégrer aux MEMS.

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Récemment, plusieurs travaux de recherches utilisant les cristaux photoniques, en tant qu’élément de détection, ont été entrepris, en raison de leur structure de bande et du confinement de la lumière. Différents types de cristaux photoniques sont utilisés comme capteurs à cause de leur haute sensibilité aux variations d’indices de réfraction, par exemple:

 La technologie SPR (Surface Plasmon Résonance) qui exploite les changements de phase des plasmons qui correspondent aux variations d'épaisseur des analytes biologiques dans un cristal photonique [8] ;

 Les fibres à cristaux photoniques ont été utilisés dans la biodétection [9].

II.2.4 Caractéristiques des biocapteurs

Il s'agit ici des caractéristiques qui servent à évaluer un capteur et ses qualités analytiques. On cite :

 Sélectivité : c'est la capacité du biocapteur à distinguer entre des substrats différents. C'est un paramètre qui dépend principalement du composant biologique, bien que parfois le choix du transducteur puisse contribuer à la sélectivité.

 Sensibilité : Ce paramètre correspond au rapport entre l'accroissement de la réponse du capteur et la variation correspondante de la grandeur à mesurer.

 Reproductibilité : c'est parmi les paramètres les plus importants. Il indique la capacité du biocapteur à donner des réponses très voisines pour des mesures répétées de la même quantité de la grandeur à mesurer.

 Précision : C'est l'accord entre le résultat de la mesure et la valeur vraie de la grandeur mesurée et l'écart est appelé erreur absolue.

 Limite de détection : C'est la plus petite valeur de la grandeur à mesurer pouvant être détectée par le biocapteur d'une façon significativement différente du bruit de fond.